巖石動力特性的SHPB實驗方法探究

王志亮, 盧志堂

(同濟大學(xué) a.地下建筑與工程系； b.巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引 言

了解和認(rèn)識巖石在中、高應(yīng)變率下的動力特性，對于防護(hù)工程、爆破開挖、礦產(chǎn)開采、隧道施工等具有重要意義[1-9]。目前，進(jìn)行有效而又準(zhǔn)確的中、高應(yīng)變率材料實驗時經(jīng)常會遇到各種挑戰(zhàn)，而分離式霍普金森壓桿(SHPB)就是相對成熟的動態(tài)實驗裝置，它可以研究材料應(yīng)變率在10～104s-1下的動態(tài)力學(xué)性能[10]。SHPB設(shè)計思想巧妙，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作使用方便，經(jīng)Kolsky的改進(jìn)，可用于測量材料在高應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[11]。此外利用應(yīng)變片技術(shù)即可間接確定試件材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載信號易測易控制。

當(dāng)前，對巖石靜力學(xué)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)，高校的實驗教學(xué)相對成熟，開展較廣。但是，對巖石動態(tài)力學(xué)實驗教學(xué)則開展較少，主要集中于研究生和博士生的課題研究。在新形勢下，隨著SHPB設(shè)備與相關(guān)測試技術(shù)的不斷成熟，在本科教學(xué)中開展巖石動力學(xué)實驗已經(jīng)成為可能。為了適應(yīng)新形勢下卓越人才的培養(yǎng)，同濟大學(xué)地下建筑與工程系在巖石力學(xué)教學(xué)中加強了巖石動力學(xué)方面的教學(xué)，建設(shè)了沖擊動力學(xué)實驗室，并購進(jìn)了SHPB裝置(見圖1)，開展了在巖石力學(xué)本科教學(xué)中引入動力學(xué)實驗的改革。

圖1 SHPB實驗裝置照片

本文通過著重介紹SHPB裝置與原理，以及在巖石動態(tài)壓縮與動態(tài)拉伸實驗中的應(yīng)用，闡述了SHPB在卓越人才培養(yǎng)中面臨的問題及應(yīng)對措施。

1 SHPB裝置原理

SHPB裝置的原型是由Hopkinson(1914年)提出的，當(dāng)時僅能測量沖擊載荷的脈沖波形。其后，Kolsky(1949年)將壓桿分為兩截，試件放置其中，從而使這一裝置可用來測量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[12]。SHPB實驗裝置，包括驅(qū)動部分、支撐部分、壓桿部分、信號測量部分及阻尼吸收部分。如圖2所示。SHPB裝置按桿徑和桿長大小可分為大、中、小三種，用于巖石實驗的裝置一般為大桿，沖擊動力學(xué)實驗室配備了直徑為50與76 mm的鋼桿。該裝置還必須配備測速裝置、超動態(tài)應(yīng)變儀和高速采集裝置等測量設(shè)備。

圖2 分離式霍普金森壓桿裝置簡圖

SHPB設(shè)備測試原理[13]是：當(dāng)槍膛內(nèi)的打擊桿撞擊入射桿時，在入射桿內(nèi)會產(chǎn)生一個入射脈沖，試樣在該脈沖作用下發(fā)生高速變形，同時在桿中產(chǎn)生往回的反射脈沖和向前的透射脈沖。見圖2，當(dāng)打擊桿撞擊入射桿時，在入射桿中產(chǎn)生入射波εi通過應(yīng)變片1時就被記錄下來。當(dāng)傳播到試件位置時，它推動試件開始變形。部分波形沿入射桿向回反射，形成反射波εr也被應(yīng)變片1記錄下來；透射波εt被應(yīng)變片2記錄下來，見圖3所示。從圖3中可以看出，對應(yīng)的入射波、反射波和透射波波形。

圖3 實驗中應(yīng)變片測試信號

確定入射波、反射波和透射波之后，基于一維應(yīng)力波假設(shè)和均勻性假設(shè)，試樣的應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率的時程曲線就能由式(1)確定：

(1)

其中，E，C，A分別為壓桿的彈性模量，波速和橫截面積；A0，l0分別為試樣的初始橫截面積和長度。

2 SHPB在巖石動力學(xué)實驗中的應(yīng)用

巖石試樣的動態(tài)壓縮強度和動態(tài)拉伸強度可以利用SHPB裝置測出。該實驗主要用于研究巖石動態(tài)強度性質(zhì)，并據(jù)此實現(xiàn)對巖石的分類[14]。動態(tài)壓縮實驗的基本原理已在文中第2部分給予了介紹。利用式(1)，就能得出巖石動態(tài)壓縮強度測試的實驗成果，見圖4所示，這樣巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)變率就可以確定了。

目前，巖石動態(tài)拉伸強度難以直接測得。SHPB能夠間接地測量巖石試樣的動態(tài)拉伸強度[13]。實驗時，將巖石試樣置于入射桿和透射桿之間，見圖5所示。這與動態(tài)壓縮實驗試樣的放置不同，動態(tài)拉伸實驗需要將試樣沿直徑方向夾在入射桿與透射桿之間。實驗過程中，及時試樣破壞，作用力仍然還會增大，因此需在試樣一端中心貼應(yīng)變片，根據(jù)應(yīng)變片記錄的信號，校正試樣破壞時對應(yīng)的作用力[15]。

圖4 典型的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 試樣在動態(tài)拉伸實驗中示意

基于一維應(yīng)力波理論，試樣靠近入射桿一端所受作用力為P1，靠近透射桿一端的作用力為P2，其表達(dá)式分別為：

(2)

式中：A是桿橫截面積；E為桿的彈性模量。

根據(jù)彈性理論[16]，如圖6所示的試樣在準(zhǔn)靜態(tài)對徑壓縮下，加載直徑上(施力點附近除外)的二維應(yīng)力狀態(tài)為：

(3)

式中：l為試樣的厚度；D為試樣的直徑。

圖6 拉裂測試示意

對于巖石等脆性材料，其抗拉強度顯著地低于抗壓強度，在加載過程中沿著加載直徑可以產(chǎn)生拉破壞。在進(jìn)行巖石拉裂實驗時，就可以將最大荷載P代入式(3)中的第2式計算出試樣破壞時候的拉應(yīng)力。與動態(tài)壓縮實驗認(rèn)為試樣兩端的荷載相等不同，動態(tài)拉伸實驗中的最大荷載P的取值需要按式(2)中第二式計算[16]。據(jù)此可以得到P的時程曲線，并根據(jù)應(yīng)變片上信號峰值得出對應(yīng)的最大作用力，見圖7[15]中應(yīng)變片A點對應(yīng)的作用力。

圖7 應(yīng)變片信號與作用力對比

3 存在問題與改進(jìn)措施

(1) 學(xué)生缺少動力學(xué)的背景知識。地質(zhì)工程本課專業(yè)的學(xué)生，之前學(xué)習(xí)是傳統(tǒng)的靜力學(xué)知識，也沒有學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理方程和應(yīng)力波相關(guān)基礎(chǔ)課程。因此，在實驗教學(xué)中，需要花很多的時間講授SHPB裝置的基本原理。在專業(yè)課程設(shè)置中，需要加開這些輔助的課程，使學(xué)生能夠理解巖石動力學(xué)測試的原理，掌握數(shù)據(jù)處理的方法。

(2) 實驗操作有一定的危險性。SHPB裝置具有高壓氣罐和槍膛等構(gòu)件，加之巖石動力學(xué)實驗的桿件較重，具有一定的危險性。因此在實驗之前，需要向?qū)W生強調(diào)實驗步驟與注意事項，以免發(fā)生安全事故。

(3) 實驗過程歷史短、直觀感受較差。巖石動力學(xué)實驗具有高速動態(tài)的特點，實驗歷時通常在1毫秒之內(nèi)，對巖石試樣在這么短的時間內(nèi)的變形特點很難用肉眼感受，需要結(jié)合光彈等實驗技術(shù)和高速攝影機等輔助設(shè)備記錄。

(4) 實驗操作要求較高。SHPB裝置構(gòu)成較為復(fù)雜，應(yīng)變片與接線易發(fā)生問題，對實驗人員的操作要求較高，需要配備專門的實驗員指導(dǎo)學(xué)生實驗。

4 結(jié) 語

實驗教學(xué)可有效地幫助學(xué)生加深對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，也是培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的重要手段。本文引入SHPB裝置，讓本科生接觸巖石動力學(xué)測試，是對地質(zhì)工程專業(yè)卓越人才培養(yǎng)的嘗試。這也為培養(yǎng)有志于基礎(chǔ)科學(xué)研究，具有原創(chuàng)性思維和科研創(chuàng)新能力的大師級人才提供了支持。

作為人才培養(yǎng)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，深化實驗教學(xué)改革，提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力需要長期的準(zhǔn)備于實踐。將SHPB裝置在實驗教學(xué)推廣過程中，必定會面

臨許多意想不到的問題，需要在教學(xué)過程中去解決，不斷完善，從而為國家和社會培養(yǎng)卓越畢業(yè)生！

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